Пути и формы поступления экотоксикантов в биосферу

В атмосферу экотоксиканты поступают в виде аэрозольных выбросов (атмосферные выбросы промышленных предприятий, транспорта и мусоросжигательных заводов).

Аэрозоли – это дисперсные системы, состоящие из частиц твердого тела или капелек жидкости, находящихся в газовой среде (в данном случае в воздухе). К аэрозолям относятся дым, туман, пыли, смог.

По агрегатному состоянию и размерам частиц дисперсной фазы различают:

1) туманы – системы с жидкой дисперсной фазой в виде капель размером 0,1-10 мкм;

2) пыли – это аэрозоли с твердыми частицами дисперсной фазы 10- 100 мкм;

3) дымы– это более высокодисперсные по сравнению с пылью аэрозоли с твердыми частицами в дисперсной фазе 0,001-10 мкм.

От размеров частиц зависит их скорость осаждения из атмосферы: частицы размером < 1мкм ведут себя подобно газам, а частицы размером > 1 мкм могут осаждаться. При этом частицы размером 1-5 мкм образуют сравнительно устойчивые системы медленно осаждающихся частиц, а частицы размером более 10 мкм осаждаются быстро.

Химические вещества в атмосферных аэрозолях находятся:

1) в форме твердых частиц различного состава и размера (составляют основу или адсорбируются на поверхности),

2) в парогазовой форме,

3) в составе водорастворимых веществ (таблица 1).

Таблица 1. Формы нахождения загрязняющих веществ в аэрозолях (Голдовская, 2005, с. 168-171, Майстренко, 2004, с.144-145; Мотузова, 2000, с.26).

Фазовое состояние	Размеры частиц	Элементы (соединения элементов)
твердые частицы	10-100 мкм - пыль 0,001-10 мкм – дым	Fe, Mn, Zn, Cr, Сu, Cd, Pb, Sb, As ПАУ; (ХОП, ПХДД/Ф,ПХБ)
водорастворимые	истинный раствор	S,N, С
пар, газы	молекулы	S,N, С; Нg↑, метилртуть, диметилртуть; хлорбензолы, фенолы, хлорфенолы; (ХОП, ПХДД/Ф,ПХБ)

9. В водные среды экотоксиканты поступают в виде жидких стоков производств, коммунально-бытового и сельского хозяйства или с поверхностным почвенным стоком (пестициды).

Примеры:

а) загрязненные ртутью сточные воды химического производства в Японии → прибрежные морские воды → рыба → организм человека → болезнь Минамата;

б) фенолы и их производные в сточных водах предприятий коксо- и нефтехимической промышленности, органического синтеза, целлюлозной и деревообрабатывающей промышленности → нарушения эндокринной системы рыб, рождение стерильных крокодилов из-за нарушения репродуктивной функции фенолами (после катастрофического выброса сточных вод во Флориде (США) в 1980 г.).

В почву экотоксиканты поступают в виде твердых промышленных и бытовых отходов, пестициды –при применении в сельском хозяйстве.

Примеры:

а) твердые промышленные отходы- отвалы и терриконы добывающей и обрабатывающей промышленности (металлы), пылят, горят (ПАУ) → природные экосистемы превращаются в техногенные пустыни;

б) твердые промышленные отходы – шлаки, шламы, илы из прудов-накопителей горно-обогатительных, химических и целлюлозно-химических предприятий и отстойников коммунального хозяйства (хлорорганические соединения, в том числе диоксины; тяжелые металлы);

в) склады и неорганизованные свалки пестицидов;

г) твердые бытовые отходы - мусор (макулатура, изделия из ПВХ, упаковочный материал, красители, косметические средства, растворители, в них хлорорганические соединения, тяжелые металлы присутствуют изначально или образуются в процессе применения или при аварийных ситуациях).

10. Химические превращения экотоксикантов и их классификация в зависимости от факторов воздействия в экосистеме и конечных продуктов. Детоксикация и активация.

Экотоксиканты претерпевают в экосистемах трансформацию (превращения) в результате химических процессов под действием:

1) абиотических факторов (рН, УФ-излучение, окислители, восстановители и др.) и

2) биотических факторов (организмы). При описании процесса под действием биотических факторов пользуются термином биотрансформация (или метаболизм).

В экосистеме трансформация экотоксикантов происходит сразу под действием всех абиотических и всех биотических факторов. В результате экотоксикант может быть вовлечен во множество одновременно и последовательно протекающих реакций. Поэтому трансформация экотоксикантов представляет собой комплексный процесс.

В зависимости от конечного результата превращения экотоксиканта различают:

ü полную деградацию (минерализацию, полную деструкцию) с образованием простых веществ Н₂О, СО₂, НСI и др.;

ü неполную деградацию (трансформацию, частичную минерализацию, частичную деструкцию);

ü связывание экотоксиканта или его метаболитов (продуктов химических превращений) с другим веществом - матрицей (полимеризация, конъюгация, конденсация).

Полное разрушение стойких органических экотоксикантов происходит, как правило, в результате совместного действия сообщества организмов и абиотических факторов.

Микробиологическая минерализация ( т.е. минерализация в результате деятельности микроорганизмов) является наиболее эффективным способом удаления экотоксикантов из окружающей среды.

В результате процессов абиотической и биотической трансформации экотоксикантов возможно изменение их токсичности.

o Детоксикация (инактивация)— это превращение химического вещества в соединение с меньшей токсичностью.

o Активация (токсификация)— это превращение химического вещества в более токсичное соединение (в некоторых случаях даже канцерогенное или мутагенное).

11. Основными реакциями в процессе абиотической трансформации являются гидролиз, фотохимические процессы, окисление, восстановление; полимеризация (или поликонденсация).

Эти процессы, за исключением полимеризации (или поликонденсации), способствуют деградации (разрушению ) органических экотоксикантов. В результате же полимеризации образуются вещества с большей молекулярной массой, чем у исходного соединения.

Гидролиз протекает в водных средах и почве и часто приводит к потере их токсических свойств. Вносит заметный вклад в разрушение некоторых пестицидов: хлорированных алифатических кислот, сложных эфиров и амидов карбоновых кислот, фосфорорганических соединений, карбаматов. Гидролиз протекает медленно. Скорость зависит отприроды функциональных групп, особенностей агрегатного состояния экотоксиканта, его растворимости в воде, температуры, рН среды, составараствора.

Пример. Процесс деградации фосфорорганического инсектицида паратиона (тиофоса) представлен на рис. 1 справа. В данном случае при гидролизе произошел разрыв эфирной связи фосфора с бензольным кольцом. В нейтральной среде паратион разрушается на 50% за 120 дней, а в слабощелочной среде – за 8 часов (влияние рН).

Рис. 1. Абиотическое превращение паратиона в окружающей среде: гидролиз (справа) и фотоокисление (слева) (Куценко, 1999, с.17).

Гидролиз паратиона - пример частичной деструкции этого соединения.

12. Фотохимические процессы – это химические реакции, которые протекают под действием света. Свет, особенно УФ лучи, могут разрушать химические связи, что ведет к деградации экотоксикантов. При фотохимических процессах могут образовываться как менее, так и более токсичные соединения.

Процессы идут, главным образом, в атмосфере, но могут протекать на поверхности почвы (могут катализировать и тормозить гуминовые кислоты, глинистые минералы) и поверхности воды.